State 特徴ときどきの状態に合わせて動作の内容を変更するパターン各状態を異なるクラスで表現し, クラスを切り替えることにより状態を変化させるパターンクラス図 Context State requestx( ) requesty( ) requestz( ) State methoda( ) me

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1 Singlton 特徴オブジェクト ( インスタンス ) が 1 個しか存在しないことを保証するパターン クラス図 Singlton singlton Singlton( ) +getinstance( ) private public static 各クラスの説明 Singlton インスタンスが1つしか存在しないクラス コンストラクタが private であり,Singlton クラス外からコンストラクタを呼び出すことを禁止している. インスタンスを作成する場合( コンストラクタを実行する場合 ) ではクラスメソッドの getinstance( ) を呼ぶ. クラス変数の singlton が private としてあり, これにより唯一のインスタンスを決定している.( 自分のインスタンスを持つ ) 適用例 ( Java 言語で学ぶデザインパターン入門 より ) ( クラス図は上に同じ ) Singlton クラスより2つのインスタンスを作成する. この2つのインスタンスが同一であることを示す.( 表示 する ) Singleton.java 1:public class Singleton { 2: private static Singleton singleton = new Singleton( ); // Singlton クラスが呼ばれたときに1 回のみ実行 3: private Singleton( ){ // コンストラクタ (private 型 ) 4: System.out.println(" インスタンスを生成しました "); 5: 6: public static Singleton getinstance( ) { // インスタンスを作成するためのメソッド 7: return singleton; // ( 自分の持つインスタンスを返す ) 8: 9: Main.java 1:public class Main { 2: public static void main(string[ ] args) { 3: System.out.println("Start."); 4: Singleton obj1 = Singleton.getInstance( ); // Singltonのクラスメソッドの getinstance( ) により 5: Singleton obj2 = Singleton.getInstance( ); // インスタンスを作成 6: if (obj1 == obj2) { // もし インスタンス obj1 と obj2 が同じならば 7: System.out.println("obj1と obj2 は同じインスタンスです "); // このメッセージが表示される 8: else { 9: System.out.println("obj1と obj2 は同じインスタンスではありません "); 10: 11: System.out.println("End."); 12: 13: 実行結果 >java Main Start. obj1 obj2 End. 3

2 State 特徴ときどきの状態に合わせて動作の内容を変更するパターン各状態を異なるクラスで表現し, クラスを切り替えることにより状態を変化させるパターンクラス図 Context State requestx( ) requesty( ) requestz( ) State methoda( ) methodb( ) methodc( ) methodd( ) 斜字体は抽象 (abstract) クラス, メソッドなどを表す ConcreateState1 ConcreateState2 methoda( ) methodb( ) methodc( ) methodd( ) methoda( ) methodb( ) methodc( ) methodd( ) 各クラスの説明 Context 状態に対して動作を呼ぶクラス State 状態を表すクラスであり, 状態における動作のインターフェースの役割を行う ( 各状態の動作をカプセル化する ) ConcreateState 具体的な状態を表すクラス ConcreateState に動作を記述し,Context で保持することにより,( 動作あるいはプログラムの ) 管理, 保守が簡単になる. 適用例 ( Java 言語で学ぶデザインパターン入門 より ) 金庫警備システムを考える. このシステムでは, 昼間と夜間の 2 つの管理する状態が存在する. 金庫警備システムでは以下の機能を有する. 条件 金庫には警備センターと接続されている 金には非常ベルが接続されている 金庫には時計がついており 現在の時計を監視している 昼間は 9:00~16:59, 夜間は 17:00~8:59 金庫の利用について 金庫は昼のみ利用できる 昼間に利用されると 警備センターの記録が残る 夜間に利用されると 警備センターに非常事態の通報が行く 非常ベルについて 非常ベルはいつでも利用できる 非常ベルを使用すると 警備センターに非常ベルの通報が行く 4

3 <<interface>> Context setclock( ) changestate( ) callsecuritycenter( ) recoerdlog( ) 抽象クラスメソッドは実装していない SafeFrame state setclock( ) changestate( ) callsecuritycenter( ) recoerdlog( ) <<interface>> State doclock( ) douse( ) doalarm( ) 具体的にプログラム ( 処理 ) を記述 DayState singlton DayState( ) getinstance( ) doclock( ) douse( ) doalarm( ) NightState singlton NightState( ) getinstance( ) doclock( ) douse( ) doalarm( ) State.java ( インターフェース ) public interface State { public abstract void doclock(context context, int hour); // 時刻設定 public abstract void douse(context context); // 金庫使用 public abstract void doalarm(context context); // 非常ベル DayState.java ( 昼間の処理用クラス,Singlton, パターンを利用している ) public class DayState implements State { private static DayState singleton = new DayState( ); private DayState() { // コンストラクタは private public static State getinstance() { // 唯一のインスタンスを得る return singleton; public void doclock(context context, int hour) { // 時刻設定 4 時間を見て, もし夜の時間ならば if (hour < 9 17 <= hour) { // Frameの状態を夜間に変更 context.changestate(nightstate.getinstance()); public void douse(context context) { // 金庫使用 context.recordlog(" 金庫使用 ( 昼間 )"); public void doalarm(context context) { // 非常ベル context.callsecuritycenter(" 非常ベル ( 昼間 )"); public String tostring() { // 文字列表現 return "[ 昼間 ]"; NightState.java ( 夜間の処理用クラス,Singlton, パターンを利用している ) public class NightState implements State { private static NightState singleton = new NightState(); private NightState() { // コンストラクタは private 5

4 public static State getinstance() { // 唯一のインスタンスを得る return singleton; public void doclock(context context, int hour) { // 時刻設定 4 時間を見て, もし昼の時間ならば if (9 <= hour && hour < 17) { // Frameの状態を昼間に変更 context.changestate(daystate.getinstance()); public void douse(context context) { // 金庫使用 context.callsecuritycenter(" 非常 : 夜間の金庫使用!"); public void doalarm(context context) { // 非常ベル context.callsecuritycenter(" 非常ベル ( 夜間 )"); public String tostring() { // 文字列表現 return "[ 夜間 ]"; Main.java public class Main extends Thread { public static void main(string[] args) { SafeFrame frame = new SafeFrame("State Sample"); // GUI の表示 while (true){ // 無限ルーチンで時計をまわしている for (int hour = 0; hour < 24; hour++) { frame.setclock(hour); // 時刻の設定 1GUI(Frame) に時間を渡している try { Thread.sleep(1000); catch (InterruptedException e) { Context.java (GUI 部のためのインターフェース ) public interface Context { public abstract void setclock(int hour); public abstract void changestate(state state); public abstract void callsecuritycenter(string msg); public abstract void recordlog(string msg); SafeFrame.java (GUI とイベント処理のためのプログラム ) import java.awt.frame; import java.awt.label; import java.awt.color; import java.awt.button; import java.awt.textfield; import java.awt.textarea; import java.awt.panel; import java.awt.borderlayout; import java.awt.event.actionlistener; import java.awt.event.actionevent; // 時刻の設定 // 状態変化 // 警備センター呼び出し // 警備センター記録 public class SafeFrame extends Frame implements ActionListener, Context { private TextField textclock = new TextField(60); // 現在時刻表示 private TextArea textscreen = new TextArea(10, 60); // 警備センター出力 private Button buttonuse = new Button(" 金庫使用 "); // 金庫使用ボタン private Button buttonalarm = new Button(" 非常ベル "); // 非常ベルボタン private Button buttonexit = new Button(" 終了 "); // 終了ボタン 07/11/2003 6

5 private State state = DayState.getInstance(); // 現在の状態 // コンストラクタ public SafeFrame(String title) { super(title); setbackground(color.lightgray); setlayout(new BorderLayout()); // textclockを配置 add(textclock, BorderLayout.NORTH); textclock.seteditable(false); // textscreenを配置 add(textscreen, BorderLayout.CENTER); textscreen.seteditable(false); // パネルにボタンを格納 Panel panel = new Panel(); panel.add(buttonuse); panel.add(buttonalarm); panel.add(buttonexit); // そのパネルを配置 add(panel, BorderLayout.SOUTH); // 表示 pack(); show(); // リスナーの設定 buttonuse.addactionlistener(this); buttonalarm.addactionlistener(this); buttonexit.addactionlistener(this); // ボタンが押されたらここに来る public void actionperformed(actionevent e) { System.out.println("" + e); if (e.getsource() == buttonuse) { // 金庫使用ボタン state.douse(this); else if (e.getsource() == buttonalarm) { // 非常ベルボタン state.doalarm(this); else if (e.getsource() == buttonexit) { // 終了ボタン System.exit(0); else { System.out.println("?"); // 時刻の設定 public void setclock(int hour) { // 2 渡された時間について処理 String clockstring = " 現在時刻は "; if (hour < 10) { clockstring += "0" + hour + ":00"; else { clockstring += hour + ":00"; System.out.println(clockstring); textclock.settext(clockstring); state.doclock(this, hour); // 3 現状態の doclock() へ時間が渡される ( それぞれの // 状態のクラスへ渡される. 引数にこの Frame // 状態変化 public void changestate(state state) { System.out.println(this.state + " から " + state + " へ状態が変化しました "); this.state = state; // 警備センター呼び出し public void callsecuritycenter(string msg) { 7

6 textscreen.append("call! " + msg + " n"); // 警備センター記録 public void recordlog(string msg) { textscreen.append("record... " + msg + " n"); 実行例 8

7 Strategy 07/11/2003 特徴共通の目的に対して, 具体的な戦略を複数用意しておき, その場の状況によって戦略を選ぶ場合のパターン具体的な個別の戦略を異なるクラスを表現するため, 共通化されたインターフェースから実装する. クラス図 Context Strategy contextmethod Strategy strategymethod ConcreteStrategy1 ConcreteStrategy2 strategymethod strategymethod 各クラスの説明 Context 戦略を利用するクラス Strategy 戦略を表すクラスであり, 具体的な戦略のインターフェースの役割を行う ( ここでの戦略は広い意味のものであり, 目的を指す. そしてこのインターフェースを通して各戦略をカプセル化する ) ConcreteStrategy 具体的な戦略を実装するクラス ConcreteStrategy に具体的な戦略を記述し,Context で保持することにより, その場の状況によって戦略を選び実行する. 適用例 1.( UMLPress Vol.1 より ) A さんは今夜, 彼女とデートするためも持ち合わせのお金がありません. そこで, お金を調達する方法 ( 戦略 ) として 銀行の預金からお金をおろす, 友達からお金を借りる 消費者金融の ATM からキャッシングする の 3 方法を考えている. 具体的にプログラム ( 処理 ) を記述 適用例 2( Java 言語で学ぶデザインパターン入門 より ) コンピュータ上でじゃんけんを行うものとし, 戦略として 勝ったら次も同じものを出す, 1 回前の手から確立より決める の 2 種類を設定する. 下記のプログラムでは 2 者間のじゃんけんの結果を表示する. 9

8 Player Strategy nexthand win lose even <<interface>> Strategy nexthand study じゃんけんの 戦略 を表すインターフェース抽象クラスのため, この中のメソッドでは実装しない ( 宣言のみ ) じゃんけんを行うプレイヤーを表す WinningStrategy ProbStrategy nexthand study nexthand study 勝ったら次ぎも同じ手を出す 戦略 を表すクラスインターフェースで宣言したメソッドを実装 1 回前の手から次の手を確率的に計算する 戦略 を表すクラス Hand クラスじゃんけんの 手 を表すクラス. クラス内部でグー, チョキ, パーを 0,1,2 で表現するメソッド : Hand gethand( ) ( クラスメソッド ): インスタンスを得る bool isstringerthan( Hand hand1) : hand1 に対して強ければ true, 弱ければ false を返す bool IsWeakerThan( Hand hand1) : hand1 に対して弱ければ true, 強ければ false を返す Hand.java (Strategy パターンと関係ないが,Strategy,, WinningStrategy, ProbStrategy で利用される ) public class Hand { public static final int HANDVALUE_GUU = 0; // グーを表す値 public static final int HANDVALUE_CHO = 1; // チョキを表す値 public static final int HANDVALUE_PAA = 2; // パーを表す値 public static final Hand[] hand = { // じゃんけんの手を表す 3 つのインスタンス new Hand(HANDVALUE_GUU), new Hand(HANDVALUE_CHO), new Hand(HANDVALUE_PAA), ; private static final String[] name = { // じゃんけんの手の文字列表現 " グー ", " チョキ ", " パー ", ; private int handvalue; // じゃんけんの手の値 private Hand(int handvalue) { this.handvalue = handvalue; public static Hand gethand(int handvalue) { // 値からインスタンスを得る return hand[handvalue]; public boolean isstrongerthan(hand h) { // this が h より強いとき true return fight(h) == 1; public boolean isweakerthan(hand h) { // this が h より弱いとき true return fight(h) == -1; private int fight(hand h) { // 引き分けは 0, this の勝ちなら 1, h の勝ちなら-1 if (this == h) { return 0; 10

9 11 07/11/2003 else if ((this.handvalue + 1) % 3 == h.handvalue) { return 1; else { return -1; public String tostring() { // 文字列表現へ変換 return name[handvalue]; Strategy.java (Strategy のためのインターフェースのインターフェース ( メソッドの宣言のみ )) ) public interface Strategy { ここではメソッドを宣言 public abstract Hand nexthand( ); し, ここの戦略クラスで public abstract void study(boolean win); 実装する WinningStrategy.java ( 勝ったら次ぎも同じものをだす Strategy ( メソッドの実装 )) ) 1 つめの戦略 import java.util.random; public class WinningStrategy implements Strategy { private Random random; private boolean won = false; private Hand prevhand; public WinningStrategy(int seed) { random = new Random(seed); public Hand nexthand() { if (!won){ prevhand = Hand.getHand(random.nextInt(3)); return prevhand; public void study(boolean win) { won = win; ProbStrategy.java ( 確率から次ぎも同じものをだす import java.util.random; 確率から次ぎも同じものをだす Strategy ( メソッドの実装 )) ) 2 つめの戦略 public class ProbStrategy implements Strategy { private Random random; private int prevhandvalue = 0; private int currenthandvalue = 0; private int[][] history = { { 1, 1, 1,, { 1, 1, 1,, { 1, 1, 1,, ; public ProbStrategy(int seed) { random = new Random(seed); public Hand nexthand() { int bet = random.nextint(getsum(currenthandvalue)); int handvalue = 0; if (bet < history[currenthandvalue][0]) { handvalue = 0; else if (bet < history[currenthandvalue][0] + history[currenthandvalue][1]) { handvalue = 1; else { handvalue = 2; prevhandvalue = currenthandvalue; currenthandvalue = handvalue; return Hand.getHand(handvalue); コンストラクタ ( 初めは乱数で出すものを設定 ) ここでメソッドを実装する 確率を計算するためのデータを格納する配列自分が連続して出したものに対する勝ち数を格納要素 (0,0) グー グー コンストラクタ ( 初めは乱数で出すものを設定 ) ここでメソッドを実装する

10 private int getsum(int hv) { int sum = 0; for (int i = 0; i < 3; i++) { sum += history[hv][i]; return sum; public void study(boolean win) { if (win){ history[prevhandvalue][currenthandvalue]++; else { history[prevhandvalue][(currenthandvalue + 1) % 3]++; history[prevhandvalue][(currenthandvalue + 2) % 3]++; Player.java ( プレイヤーを表すクラス ) public class Player { private String name; private Strategy strategy; private int wincount; private int losecount; private int gamecount; public Player(String name, Strategy strategy) { // 名前と戦略を授けられる this.name = name; this.strategy = strategy; public Hand nexthand() { // 戦略におうかがいを立てる return strategy.nexthand(); public void win() { // 勝った strategy.study(true); wincount++; gamecount++; public void lose() { // 負けた strategy.study(false); losecount++; gamecount++; public void even() { // 引き分け gamecount++; public String tostring() { return "[" + name + ":" + gamecount + " games, " + wincount + " win, " + losecount + " lose" + "]"; Main.java ( プログラム実行のためのクラス ) public class Main { public static void main(string[] args) { if (args.length!= 2) { System.out.println("Usage: java Main randomseed1 randomseed2"); System.out.println("Example: java Main "); System.exit(0); int seed1 = Integer.parseInt(args[0]); int seed2 = Integer.parseInt(args[1]); Player player1 = new Player("Taro", new WinningStrategy(seed1)); Player player2 = new Player("Hana", new ProbStrategy(seed2)); for (int i = 0; i < 10000; i++) { Hand nexthand1 = player1.nexthand(); Hand nexthand2 = player2.nexthand(); 12 ここでメソッドを実装する 07/11/2003 コンストラクタ (Main クラスより引数を通してプレイヤー名と戦略が渡される ) コンストラクタで設定された戦略に処理内容を尋ねる 乱数の発生の種をコンソールからの引数で与える 2 人のプレイヤーを設定 じゃんけんを 回行う

11 実行結果 if (nexthand1.isstrongerthan(nexthand2)) { System.out.println("Winner:" + player1); player1.win(); player2.lose(); else if (nexthand2.isstrongerthan(nexthand1)){ System.out.println("Winner:" + player2); player1.lose(); player2.win(); else { System.out.println("Even..."); player1.even(); player2.even(); System.out.println("Total result:"); System.out.println("" + player1); System.out.println("" + player2); >java Main Even... Winner:[Taro:511 games, 164 win, 178 lose] Winner:[Hana:512 games, 178 win, 165 lose] Even... Winner:[Taro:514 games, 165 win, 179 lose] Even... Winner:[Taro:516 games, 166 win, 179 lose] 勝ち 負けの判定と表示 13

12 Template Method 07/11/2003 特徴スーパークラスで処理の枠組みを定め, サブクラスでその具体的内容を定めるパターン. アルゴリズムの不変な部分をスーパークラスで実装, 変化しうる部分をサブクラスで実装するパターン. ( 見方を変えると, サブクラスの共通部分を抜き出してスーパークラスとする. 共通でない部分はサブクラスに設定しておき, 必要に応じてサブクラスの入れ替えて対応する.) クラス図 AbstractClass method1( ) method2( ) method3( ) templatemethod( ) (abstract) これらのメソッドから構成される一つのまとまった処理 ( テンプレート ) ConcreateClass method1( ) method2( ) method3( ) 各クラスの説明 AbstractClass ( 抽象クラス ) ConcreateClass ( 具象クラス ) 共通の作業を表現するクラス ( 処理の枠組みを定める ) テンプレートメソッドを実装 (ConcreateClass で実装する必要のある抽象メソッドを定義する ) 個々の処理は抽象クラスとする個々の処理を実現 ( 実装 ) するクラス ( 具体的なメソッドを実装 ) 適用例 ( Java 言語で学ぶデザインパターン入門 より ) 文字列や文字を 3 回繰り返して画面に表示する場合を考える. ここで, 文字を表示する場合の処理と文字列を表示する場合の処理を別々の具象クラス ( それぞれ CharDisplay, StringDisplay クラス ) で表現し, 共通の処理および処理の枠組みはスーパークラス (AbstractDisplay クラス ) に記述する. 処理の枠組みは open print を三回 close で行い, 各処理は ( スーパークラス内では ) 抽象メソッドとする ( 実装しない ). これらのメソッドは各サブクラスで実装する. クラス名 AbstractDisplay CharDisplay StringDisplay Main 特徴メソッド display のみ実装されている抽象クラス (display は処理の枠組みに相当する. 共通の処理の流れ ) 文字 表示用メソッド open, print, close を実装しているクラス 文字列 表示用メソッド open, print,close を実装しているクラス Main 文 14

13 AbstaractDisplay open( ) print( ) close( ) display( ) テンプレートのメソッド CharDisplay open( ) print( ) close( ) StringDisplay open( ) print( ) close( ) printline( ) AbstractDisplay.java public abstract class AbstractDisplay { // 抽象クラス AbstractDisplay public abstract void open(); // サブクラスに実装をまかせる抽象メソッド open 個々のメソッドは抽 public abstract void print(); // サブクラスに実装をまかせる抽象メソッド print 象メソッドにし各サ public abstract void close(); // サブクラスに実装をまかせる抽象メソッド close ブクラスで実装 public final void display() { // この抽象クラスで実装しているメソッド display open(); // 初めに open このメソッドが for (int i = 0; i < 3; i++) { // 3 回 print を繰り返す一連の処理 print( ); の流れ close( ); // 最後に close StringDisplay.java public class StringDisplay extends AbstractDisplay { // StringDisplay も AbstractDisplay のサブクラス private String string; // 表示するべき文字列 private int width; // バイト単位で計算した文字列の 幅 public StringDisplay(String string) { // コンストラクタで渡された文字列 string を this.string = string; // フィールドに記憶 this.width = string.getbytes().length; // それからバイト単位の幅もフィールドに // 記憶しておき 後で使う public void open() { // オーバーライドして定義する open メソッド printline(); // このクラスのメソッド printline で線を引いている public void print() { // printメソッドは System.out.println(" " + string + " "); // フィールドに記憶しておいた文字列の前後に " " を // つけて表示 public void close() { // closeメソッドは printline(); // openと同じく printline メソッドで線を引く private void printline() { // openと close から呼ばれる printline メソッド // privateなので このクラスの中だけで使われる System.out.print("+"); // 枠の角を表現する "+" マークを表示 for (int i = 0; i < width; i++) { // width 個の "-" を表示して 枠線として用いる System.out.print("-"); System.out.println("+"); // 枠の角を表現する "+" マークを表示 CharDisplay.java public class CharDisplay extends AbstractDisplay { // CharDisplay は AbstractDisplay のサブクラス private char ch; // 表示すべき文字 15

14 public CharDisplay(char ch) { // コンストラクタで渡された文字 ch を this.ch = ch; // フィールドに記憶しておく public void open() { // スーパークラスでは抽象メソッド // ここでオーバーライドして実装する System.out.print("<<"); // 開始文字列として "<<" を表示する public void print() { // printメソッドも ここで実装する // これが display から繰り返して呼び出される System.out.print(ch); // フィールドに記憶しておいた文字を 1 個表示する public void close() { // closeメソッドも ここで実装 System.out.println(">>"); // 終了文字列 ">>" を表示 Main.java Public class Main { public static void main(string[ ] args) { //'H' を持った CharDisplay のインスタンスを 1 個作る AbstractDisplay d1 = new CharDisplay('H'); //"Hello, world." を持った StringDisplay のインスタンスを 1 個作る AbstractDisplay d2 = new StringDisplay("Hello, world."); //" こんにちは " を持った StringDisplay のインスタンスを 1 個作る AbstractDisplay d3 = new StringDisplay(" こんにちは "); // d1,d2,d3とも すべて同じ AbstractDisplay のサブクラスのインスタンスだから 継承した display // メソッドを呼び出すことができる. // 実際の動作は個々のクラス CharDisplay や StringDisplay で定まる d1.display( ); d2.display( ); d3.display( ); 実行結果 >java Main <<HHH>> Hello, world. Hello, world. Hello, world こんにちは こんにちは こんにちは CharDisplay d1 StringDisplay d2 StringDisplay d3 < 注意 > Template Method と Strategy パターンの違い Template Method パターンはスーパークラスでプログラムの振る舞い ( 複数メソッドによる処理の流れ, あるいはアルゴリズム ) を決めているが,Strategy パターンではスーパークラスではプログラムの振る舞いは決めておらず, サブクラスでプログラムの振る舞い ( アルゴリズム ) などを決めている. 処理の流れ が決まっていれば Template Method を 処理の流れ ごと交換したければ Strategy の適用となる. 抽象クラスの利用について抽象クラス内のメソッドは継承する各サブクラスで実装される. 抽象クラスからサブクラスを見た場合, サブクラスのメソッドで実行を任すことになる. 何らかの処理が発生した時は抽象クラスで受けて, 該当するサブクラスを選んで処理を行う ( 抽象クラス内にテンプレートメソッド ( 複数メソッドからなる処理の流れ ) があれば, その順序で処理を行う. 16